引言

　　大口徑伸縮式液控緩閉蝶閥采用機(jī)械、液壓、電控、計(jì)算機(jī)一體化形式，可替代閘閥、止回閥、調(diào)節(jié)閥，節(jié)材、節(jié)能、節(jié)耗、節(jié)省占地空間;該閥門具有分階段開閥與關(guān)閥功能，因此，在開閥過程中能有效控制水擊，在關(guān)閉過程中能有效地消除停泵關(guān)閉水錘，保護(hù)管路與設(shè)備安全，同時(shí)在管路上安裝時(shí)因其具有伸縮功能安裝時(shí)非常便利。但傳統(tǒng)的閥門只具有單一的功能，閘閥只起閘閥的作用，止回閥只起止回閥的作用，在管路上開啟與關(guān)閉時(shí)不能夠有效控制水擊，因此液控緩閉蝶閥被電廠、水廠廣泛采用。

　　1 設(shè)計(jì)原理

　　1.1 閥門工況分析

　　液控緩閉蝶閥分重錘式和蓄能式兩種，使用工況主要有離心泵工況和水輪機(jī)工況等。

　　開閥離心泵工況(包括離心式混流泵)：先啟動(dòng)泵，延遲預(yù)定時(shí)間后開閥。開閥水輪機(jī)工況：先開啟旁通閥平衡壓力，再開閥，后開啟水輪機(jī)。各種工況均要求在停機(jī)或停電的同時(shí)關(guān)閉閥門。

　　1.2 閥門類型

　　(1)重錘式。開閥時(shí)，電磁閥換向，油泵啟動(dòng)，液壓油經(jīng)流量控制閥、高壓膠管進(jìn)入油缸，推動(dòng)活塞將閥門開啟。開閥到位后自動(dòng)保壓系統(tǒng)啟動(dòng)，電機(jī)繼續(xù)給保壓蓄能充壓，壓力達(dá)高壓力設(shè)定點(diǎn)后停機(jī)。旋轉(zhuǎn)流量控制閥手輪可以調(diào)整開閥時(shí)間。

　　關(guān)閥時(shí)，電磁閥換向，油缸內(nèi)的壓力油經(jīng)快、慢關(guān)節(jié)流閥、高壓膠管、電磁閥回到油箱，重錘落下，蝶板旋轉(zhuǎn)關(guān)閥，迅速切斷前約70%行程的大部分水流，后30%行程則緩慢關(guān)閉?？炻P(guān)角度及各階段時(shí)間可以根據(jù)管道實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，有效消除管道水錘。

　　(2)蓄能式。開閥時(shí)，電磁閥換向，蓄能器釋放能量，液壓油經(jīng)調(diào)速閥，單向閥及高壓膠管進(jìn)入油缸，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，閥門按調(diào)定的程序開啟，蝶板開至機(jī)械限位調(diào)定全開位置。

　　關(guān)閥時(shí)，電磁閥換向，蓄能器釋放能量，推動(dòng)油缸反向動(dòng)作帶動(dòng)蝶板按調(diào)定程序關(guān)閉閥門至全關(guān)位置。

　　啟閉過程中，當(dāng)系統(tǒng)油壓低于壓力控制器調(diào)定下限值時(shí)，油泵自動(dòng)開啟，給蓄能器蓄能，當(dāng)蓄能器能量貯存至壓力控制器調(diào)定上限值時(shí)，油泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　電器與液壓部分組成控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)泵閥聯(lián)動(dòng)、遠(yuǎn)距離控制、PLC編程控制操作，提供DCS觸點(diǎn)接口，供計(jì)算機(jī)管理。

　　2 設(shè)計(jì)主要技術(shù)性能參數(shù)(見表1)

　　表1 技術(shù)性能參數(shù)

　　3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　液控緩閉蝶閥由閥門主體、液壓驅(qū)動(dòng)裝置和電器控制系統(tǒng)三大部分組成;按關(guān)閉動(dòng)力分重錘式和蓄能器式兩種。圖1為重錘式液控緩閉蝶閥結(jié)構(gòu)，圖2為蓄能器式液控緩閉蝶閥結(jié)構(gòu)。

　　1-閥體;2-碟板;3-閥桿;4-重錘;5-行程開關(guān);

　　6-液壓站;7-電控柜;8-液壓缸

　　圖1 重錘式液控緩閉蝶閥

　　1-閥體;2-碟板;3-閥桿;4-行程開關(guān);5-電控柜;

　　6-液壓站;7-蓄能器;8-液壓缸

　　圖2 蓄能式液控緩閉蝶閥

　　重錘式為早期傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)為平時(shí)靠舉起的重錘積蓄勢(shì)能，在緊急關(guān)閉時(shí)刻，重錘快速落下，勢(shì)能釋放，動(dòng)能增加，帶動(dòng)蝶板快速關(guān)閉，優(yōu)點(diǎn)是能量積蓄可靠，關(guān)閉速度可靠穩(wěn)定，缺點(diǎn)是占用空間大(重錘回轉(zhuǎn)半徑)，重錘重量重，運(yùn)行期間，如傳動(dòng)鏈有松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)大。

　　蓄能式為新式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其開啟關(guān)閉均靠蓄能罐中集蓄的能量釋放，優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，液壓系統(tǒng)保壓使用十分可靠;缺點(diǎn)是造價(jià)較高，對(duì)液壓系統(tǒng)要求較嚴(yán)格。閥門主體、液壓驅(qū)動(dòng)裝置，整體緊密安裝稱為連體式，二者分離安裝稱為分體式，連體式結(jié)構(gòu)位置緊湊，輸出油管距離短，流阻小，緊急關(guān)閉時(shí)間短，缺點(diǎn)是液壓站承受的振動(dòng)大，維修拆裝不方便，分體式將液壓站置于閥門主體之外，避免液壓站零件在持續(xù)振動(dòng)中工作，同時(shí)維修閥門主體不必拆裝龐大的液壓站，但其缺點(diǎn)是占用空間大，輸送管道較長，流阻大，易影響開關(guān)的速度。

　　4 閥門啟閉力矩的計(jì)算

　　閥門主體結(jié)構(gòu)及閥體二端支承密封結(jié)構(gòu)確定后，可以計(jì)算***大動(dòng)水作用力，***大動(dòng)水力矩和合成力矩均發(fā)生在閥門接近關(guān)閉時(shí)，閥門啟閉力矩計(jì)算如下(重錘式液控蝶閥)：

　　(1)以離心泵為例，閥后有水，先開泵后開閥，待泵達(dá)到額定壓力后開啟閥門，這時(shí)閥前壓力為水泵零流量時(shí)壓力，閥后壓力為泵站幾何揚(yáng)程壓力，閥門開啟力矩為：

　　式中：

　　MC——閥軸二端軸承處摩擦力矩，N?m;

　　MT——閥軸與密封填料摩擦力矩，N?m;

　　MM——閥體通徑密封面摩擦力矩，N?m;

　　MH——閥門液壓系統(tǒng)阻力矩，N?m;

　　MG——重錘力矩，N?m;

　　θ——閥門全關(guān)時(shí)重錘連桿與管道軸線之間夾角。

　　(2)閥后無水，先開泵后開閥，此時(shí)閥前壓力為水泵零流量時(shí)壓力，閥后壓力為零，此時(shí)操作力矩***小，其值為：

　　以上計(jì)算可知

　　(1)設(shè)計(jì)液壓工作力矩應(yīng)大于***大操作力矩并考慮安全系數(shù)，才能可靠地開啟閥門。

　　(2)閥門開啟程序?yàn)橄乳_泵后開閥，而為防止管道水錘升壓和控制水泵葉輪倒轉(zhuǎn)，關(guān)閉程序?yàn)橄汝P(guān)閥后停泵。

　　5 閥門的液壓控制系統(tǒng)

　　(1)閥門的液壓系統(tǒng)包括擺動(dòng)油缸、蓄能器和電磁閥等液壓元件。

　　(2)擺動(dòng)油缸是開啟閥門的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和關(guān)閥時(shí)的制動(dòng)阻尼機(jī)構(gòu)，角度調(diào)節(jié)閥和調(diào)速閥調(diào)節(jié)和控制蝶閥的啟閉速度、快慢關(guān)角度。

　　(3)蓄能器是啟閉蝶閥的動(dòng)力源，蓄能器的能量靠電機(jī)和油泵提供，同時(shí)，蓄能器、數(shù)顯示壓力控制器與油泵組成自動(dòng)保壓蓄能閉環(huán)系統(tǒng)，可穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，保證蝶閥正常啟閉，若系統(tǒng)壓力降到調(diào)定值以下，油泵自動(dòng)啟動(dòng)，向蓄能器補(bǔ)壓。

　　6 閥門電氣控制系統(tǒng)

　　電氣控制系統(tǒng)分為普通繼電控制型和PLC智能控制型兩種類型。

　　普通繼電控制型邏輯運(yùn)算用繼電器來實(shí)現(xiàn)：它不僅可以就地操作，也可以接入DCS系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與就地狀態(tài)用萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)切換?？梢越邮盏倪h(yuǎn)程信號(hào)有：開閥、關(guān)閥、停止、水泵狀態(tài)、管道壓力等;輸出供遠(yuǎn)程DCS監(jiān)控的信號(hào)有：閥門開度位置信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)、油泵狀態(tài)信號(hào)、鎖定狀態(tài)信號(hào)、故障信號(hào)、4～20mA模擬信號(hào)等，除了閥門狀態(tài)4～20mA信號(hào)外，其余信號(hào)均為無源干接點(diǎn)開關(guān)量信號(hào)。

　　PLC智能控制型邏輯運(yùn)算用可編程控制器PLC來實(shí)現(xiàn)，這不僅提高了系統(tǒng)邏輯運(yùn)算的可靠性，而且簡單，便于維護(hù)，同時(shí)因?yàn)槠涔δ艿臄U(kuò)展、加工文本顯示器、觸能屏等人機(jī)界面的使用，使其在智能化方面得到了充分體現(xiàn)。

　　7 結(jié)束語

　　本文設(shè)計(jì)的液控緩閉蝶閥是一種管路控制設(shè)備，主要安裝于水電站水輪機(jī)進(jìn)口，用作水輪機(jī)閥;或安裝于水利、電力、給排水等各類泵站的水泵出口，代替止回閥、閘閥的作用。工作時(shí)，該閥通過預(yù)設(shè)的啟閉程序快關(guān)、慢關(guān)、慢開、快開，實(shí)現(xiàn)管路的可靠截止，有效消除管路水錘，對(duì)于節(jié)能、節(jié)水及環(huán)保均有很大好處。